高效光伏電池智能制造車(chē)間關(guān)鍵技術(shù)研究

　　摘要：在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，光伏產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型期。本文以光伏電池提質(zhì)增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)為目標(biāo)，以光伏電池制造車(chē)間為載體，聚焦高效光伏電池車(chē)間自動(dòng)化和數(shù)字化兩大領(lǐng)域，對(duì)光伏電池智能制造車(chē)間建設(shè)所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和梳理，重點(diǎn)研究光伏裝備智能化升級(jí)、車(chē)間物流自動(dòng)化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、車(chē)間全流程管控系統(tǒng)等技術(shù)，形成可復(fù)制推廣的高效光伏電池智能制造解決方案，提升車(chē)間生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本。從而促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)快速轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，助力國(guó)家能源結(jié)構(gòu)性改革和碳中和目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：光伏電池;智能制造;數(shù)字化

　　0引言

　　隨著全球能源短缺和環(huán)境問(wèn)題日益突出，能源轉(zhuǎn)型升級(jí)已成必然趨勢(shì)。目前，全球已有超過(guò)120多個(gè)國(guó)家設(shè)立了“碳中和”時(shí)間節(jié)點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)有化石能源向可再生能源過(guò)渡，預(yù)計(jì)到2030年，可再生能源在全球發(fā)電量中占比將達(dá)到57%，其中光伏和風(fēng)能將占主導(dǎo)地位，全球三分之一的電力將來(lái)自光伏發(fā)電和風(fēng)能。光伏發(fā)電作為主要的可再生能源之一迎來(lái)了高速的發(fā)展機(jī)遇。2020年，我國(guó)光伏新增裝機(jī)量約48.2GW，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模超過(guò)253GW，光伏電池產(chǎn)量更是接近135GW。我國(guó)光伏產(chǎn)品出貨量、光伏發(fā)電新增裝機(jī)及累計(jì)裝機(jī)容量均連續(xù)多年蟬聯(lián)世界第一，未來(lái)市場(chǎng)前景巨大。然而，光伏產(chǎn)業(yè)也面臨著不少挑戰(zhàn)。

　　目前，傳統(tǒng)的光伏電池制造過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化程度不高，產(chǎn)品質(zhì)量和良率有待提升，設(shè)備和能源利用率低等因素導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本高、利潤(rùn)率不高，影響了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和行業(yè)健康發(fā)展。以自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為抓手，進(jìn)行智能制造轉(zhuǎn)型升級(jí)，已成為了光伏電池產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的必然趨勢(shì)。本文以高效光伏電池智能制造轉(zhuǎn)型為目標(biāo)，以光伏電池制造車(chē)間為載體，聚焦車(chē)間自動(dòng)化和數(shù)字化兩大關(guān)鍵領(lǐng)域，對(duì)光伏電池智能制造車(chē)間建設(shè)所需的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和梳理，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，助力國(guó)家3060目標(biāo)。

　　1智能制造簡(jiǎn)介

　　為了更好的研究智能制造車(chē)間，我們首先研究智能制造的含義。目前，國(guó)際和國(guó)內(nèi)尚且沒(méi)有關(guān)于智能制造的準(zhǔn)確定義，但工信部給出了一個(gè)比較全面的描述性定義：智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營(yíng)成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗。這實(shí)際上指出了智能制造的核心技術(shù)、管理要求、主要功能和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，體現(xiàn)了智能制造對(duì)于我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要作用，也可以看出智能制造必將對(duì)光伏電池制造轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)顯著效益。

　　2高效光伏電池智能制造車(chē)間總體架構(gòu)研究

　　結(jié)合國(guó)家發(fā)布的智能制造體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，面向高效光伏電池生產(chǎn)車(chē)間的智能制造系統(tǒng)從系統(tǒng)層級(jí)角度可以劃分為智能裝備層、過(guò)程控制層、生產(chǎn)管理層、系統(tǒng)集成層和決策支持層五個(gè)層次。著重開(kāi)展涵蓋從設(shè)備監(jiān)控、優(yōu)化控制、執(zhí)行制造及優(yōu)化分析為核心的系統(tǒng)建設(shè)，依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，打造基于智能制造體系的工業(yè)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從底層設(shè)備到生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的互聯(lián)互通和信息融合。

　�、僦悄苎b備層：智能化裝備是智能車(chē)間的基礎(chǔ)，是具備通訊與控制的硬件設(shè)施，包括工藝裝備、自動(dòng)化裝備、智能物流和質(zhì)量檢測(cè)等核心智能裝備。②過(guò)程控制層：實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間所有底層智能化裝備的集中監(jiān)測(cè)與控制，采集底層智能化裝備的核心運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)、工藝加工數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備運(yùn)行情況可視化、報(bào)警實(shí)時(shí)提示與處理等，并實(shí)現(xiàn)部分設(shè)備的遠(yuǎn)程操作與控制。

　�、凵�產(chǎn)管理層：建設(shè)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)，EMS能源管理系統(tǒng)、WMS倉(cāng)儲(chǔ)物流管理等數(shù)字化系統(tǒng)。本層主要是對(duì)與生產(chǎn)車(chē)間緊密關(guān)聯(lián)的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等資源進(jìn)行全面的管理。以MES為核心，全面監(jiān)控與指導(dǎo)車(chē)間的生產(chǎn)管理，實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)的透明化、精益化。④系統(tǒng)集成層：基于企業(yè)信息門(mén)戶平臺(tái)，集成企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)管理、ERP系統(tǒng)、CRM客戶關(guān)系管理系統(tǒng)、OA辦公自動(dòng)化等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、采購(gòu)、銷(xiāo)售及財(cái)務(wù)等業(yè)務(wù)的信息化管理與協(xié)同。⑤決策支持層：建立企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對(duì)底層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)挖掘分析，實(shí)現(xiàn)看板監(jiān)控、質(zhì)量分析、工藝優(yōu)化指導(dǎo)、設(shè)備分析、遠(yuǎn)程運(yùn)維支持、生產(chǎn)績(jī)效、業(yè)務(wù)智能分析，輔助公司經(jīng)營(yíng)決策。

　　3高效光伏電池智能制造車(chē)間關(guān)鍵技術(shù)研究

　　針對(duì)高效光伏電池智能制造車(chē)間總體架構(gòu)，結(jié)合光伏電池車(chē)間現(xiàn)狀，本文主要針對(duì)高效光伏電池車(chē)間的裝備智能化升級(jí)、車(chē)間物流自動(dòng)化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、車(chē)間全流程管控系統(tǒng)集成等技術(shù)進(jìn)行研究和梳理，形成高效光伏電池智能制造解決方案。

　　3.1裝備智能化升級(jí)技術(shù)

　　傳統(tǒng)制造裝備由于缺乏相應(yīng)的感知傳感和控制能力，無(wú)法滿足智能制造車(chē)間建設(shè)需求，需要對(duì)裝備進(jìn)行智能化升級(jí)。主要分為三個(gè)方面：第一，加強(qiáng)相應(yīng)的信號(hào)感知能力。比如壓力、位置、流量、溫濕度等傳感器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行更為精準(zhǔn)的深度感知，集成相關(guān)的質(zhì)量檢測(cè)模組，實(shí)時(shí)采集產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù);第二，提升自動(dòng)化水平。增加全自動(dòng)上下料系統(tǒng)和自動(dòng)工藝控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)人值守;第三，提升設(shè)備通訊和控制能力。開(kāi)發(fā)設(shè)備與MES等數(shù)字化系統(tǒng)集成通訊接口，利用RFID等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品和工裝夾具的跟蹤追溯，將設(shè)備數(shù)據(jù)上傳MES，并接受MES反饋信號(hào)，對(duì)設(shè)備自身進(jìn)行精準(zhǔn)執(zhí)行控制。

　　3.2車(chē)間物流自動(dòng)化技術(shù)

　　車(chē)間自動(dòng)化是車(chē)間智能化的必要條件，目前光伏電池車(chē)間主要依靠人工進(jìn)行物料上下料和物流傳輸，容易造成產(chǎn)品污染，且影響產(chǎn)品信息追溯，需要通過(guò)車(chē)間物流自動(dòng)化技術(shù)對(duì)車(chē)間進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)。本文通過(guò)多種方式對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，采用工業(yè)機(jī)器人、AGV小車(chē)和自動(dòng)化設(shè)備等相結(jié)合的方式是光伏電池車(chē)間實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化的關(guān)鍵途徑。工業(yè)機(jī)器人用于設(shè)備物料的姿態(tài)轉(zhuǎn)換和復(fù)雜場(chǎng)景的上下料，AGV小車(chē)負(fù)責(zé)物料的傳輸，并通過(guò)車(chē)間物流自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)和車(chē)間的上下料設(shè)備進(jìn)行通訊和協(xié)作，確保物料按時(shí)按需的送達(dá)正確的設(shè)備機(jī)臺(tái)，滿足車(chē)間柔性生產(chǎn)需要，并對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行全生命周期的數(shù)據(jù)追溯。

　　3.3工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)全方位融合形成的產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵綜合信息基礎(chǔ)設(shè)施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)重點(diǎn)從“網(wǎng)絡(luò)”、“數(shù)據(jù)”、“安全”三方面著手，其中網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)全系統(tǒng)互聯(lián)互通的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備彈性生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化核心，安全是光伏電池智能制造的保障。對(duì)光伏電池生產(chǎn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、工廠級(jí)、企業(yè)級(jí)三層組成，包括總線網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)專線連接外部網(wǎng)絡(luò)。

　　同時(shí)，建設(shè)企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)管理與計(jì)算平臺(tái)，采集生產(chǎn)加工設(shè)備、物流設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等數(shù)據(jù)，集中歸檔存儲(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等分析方法，遠(yuǎn)程診斷設(shè)備運(yùn)行狀況，指導(dǎo)設(shè)備維護(hù)，分析產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)影響質(zhì)量的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行辨識(shí)，為質(zhì)量改進(jìn)提供決策支持。車(chē)間工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層級(jí)，OT主要針對(duì)工業(yè)設(shè)備，如光伏電池智能制造設(shè)備、控制器、傳感器和執(zhí)行器，IT則圍繞端到端的業(yè)務(wù)流程，其中包括ERP和OA系統(tǒng)，供應(yīng)鏈管理、物流、人力資 源和財(cái)務(wù)管理。OT層級(jí)以現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為主，IT網(wǎng)絡(luò)主要是由IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)或防火墻設(shè)備實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)和OT網(wǎng)絡(luò)互連和安全隔離。

　　3.4車(chē)間全流程管控系統(tǒng)集成技術(shù)

　　3.4.1車(chē)間業(yè)務(wù)流程梳理

　　車(chē)間信息流程管控是智能制造車(chē)間的核心內(nèi)容，車(chē)間業(yè)務(wù)流程清晰是全流程管控的前提，通過(guò)研究梳理，高效光伏電池智能制造車(chē)間業(yè)務(wù)流程如下：管理層下達(dá)生產(chǎn)訂單給執(zhí)行層后，執(zhí)行層結(jié)合生產(chǎn)線設(shè)備情況及排產(chǎn)策略，進(jìn)行智能排程，生成指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的工單信息;同時(shí)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各生產(chǎn)設(shè)備的全面數(shù)據(jù)采集，歸集生產(chǎn)制造過(guò)程中的生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)、工藝質(zhì)量情況、原輔料和能源消耗等各類生產(chǎn)信息，提升光伏電池生產(chǎn)數(shù)字化管控水平。

　　3.4.2系統(tǒng)集成接口設(shè)計(jì)

　　各系統(tǒng)之間的集成接口是光伏電池車(chē)間各系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)，是車(chē)間全流程管控的關(guān)鍵所在。系統(tǒng)集成可分為應(yīng)用集成和數(shù)據(jù)集成兩種，數(shù)據(jù)集成利用通信技術(shù)和接口技術(shù)，在共享通用信息模型的支持下，實(shí)現(xiàn)不同裝備之間的信息共享，實(shí)現(xiàn)在正確的時(shí)間將正確的信息以正確的方式傳遞給正確的對(duì)象。應(yīng)用集成實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備在車(chē)間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同系統(tǒng)之間的交互操作，提供應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)應(yīng)用對(duì)共享數(shù)據(jù)的訪問(wèn)接口。

　　為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和協(xié)議互操作，智能裝備應(yīng)提供分布處理環(huán)節(jié)、應(yīng)用編程接口和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式。系統(tǒng)集成接口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾項(xiàng)內(nèi)容：依據(jù)系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)清單，明確數(shù)據(jù)來(lái)源，避免重復(fù)開(kāi)發(fā)，減少系統(tǒng)間耦合度，確保相關(guān)獨(dú)立業(yè)務(wù)功能在所選系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)邏輯的完整性。在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)集成中可應(yīng)用OPCUA統(tǒng)一架構(gòu)，以對(duì)象為管理單元，提供設(shè)備互操作支持，將光伏電池車(chē)間的多種異構(gòu)設(shè)備接入，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)光伏電池車(chē)間智能設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。在管理系統(tǒng)集成中優(yōu)先使用WebService接口，實(shí)現(xiàn)各管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

　　3.4.3車(chē)間全流程管控系統(tǒng)集成體系通過(guò)上述研究，以全過(guò)程生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以透明管理為目標(biāo)，以系統(tǒng)集成和過(guò)程智能管理為方法，構(gòu)建了智能制造車(chē)間全流程管控系統(tǒng)集成體系。車(chē)間全流程管控系統(tǒng)集成體系應(yīng)用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互聯(lián)互通、多系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全等關(guān)鍵技術(shù)，形成了一套完整的光伏電池智能化管控系統(tǒng)，集自動(dòng)化、柔性化、智能化特征于一體，集成數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、MES、能源管理、倉(cāng)庫(kù)管理、ERP各系統(tǒng)信息，滿足智能生產(chǎn)、智能管理與企業(yè)決策支持等需求。

　　新能源論文范例：風(fēng)力和太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　4結(jié)論

　　中國(guó)光伏新能源產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，以自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為抓手，著手推進(jìn)光伏電池智能制造建設(shè)已成為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的不二選擇。本文通過(guò)對(duì)光伏電池智能制造車(chē)間的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探索和研究，初步提供了光伏電池智能制造車(chē)間建設(shè)的解決方案，通過(guò)車(chē)間智能化升級(jí)可實(shí)現(xiàn)光伏電池生產(chǎn)的集約化和管理的精益化，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)、降本、增效目的。希望借此拋磚引玉，促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)智能制造技術(shù)的普及和發(fā)展，提升我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)力，助力早日實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：謝振勇;周子瓊;曾湘峰

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